Galileo starb am 8. Januar 1642 an Fieber und Herzklopfen. Zum Zeitpunkt seines Todes war er 77 Jahre alt.
Ab 1634 stand er in seiner Villa bei Florenz unter Hausarrest, nachdem er in Rom vor Gericht gestellt worden war, nachdem seine Schriften gesehen worden waren, um den Papst zu verspotten. Er wurde unter Hausarrest gestellt, weil er eine möglichst härteste Strafe wollte. Dort blieb er bis zu seinem Tod 8 Jahre später.
Bis 1638 erblindete Galilei vollständig und litt an Schlaflosigkeit und einem schmerzhaften Leistenbruch.
Nach Galileis Tod wollte der Großherzog der Toskana ihn im Hauptteil der Basilika Santa Croce (einer Kirche in Florenz) begraben und ihm zu Ehren ein Mausoleum errichten, doch Papst Urban VIII. protestierte, weil Galileo von der katholischen Kirche verurteilt wurde vehementer Verdacht auf Häresie.
Obwohl er noch in der Basilika beigesetzt wurde, sollte er dann in einem kleinen Raum im südlichen Querschiff des Gebäudes beigesetzt werden. Im Jahr 1737 wurde jedoch im Hauptteil der Basilika ein Denkmal errichtet und Galilei mit ihm umgebettet.
Bis heute können Touristen das Museo Galileo in Florenz besuchen und einen Finger von Galileo sehen, der bei seiner Umbettung entfernt wurde.